2.1植物细胞工程教学设计-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

课题 第2章 第1节 植物细胞工程（3-4个课时） 时间 教材分析 第2章《细胞工程》包括三小节内容:《植物细胞工程》《动物细胞工程》和《胚胎工程》。内容的安排更合理，如将胚胎干细胞的内容移到动物细胞培养之后，原来的胚胎工程精简为一节，简化了精子和卵子发生的过程、卵母细胞和精子的采集和获能过程及早期胚胎培养过程，更强化了胚胎工程技术的应用。 第1节《植物细胞工程》包括两部分的内容:植物细胞工程的基本技术和植物细胞工程的应用。先是在细胞的全能性的基础上简单介绍了植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术，并安排了探究实践活动--菊花的组织培养;植物细胞工程的应用则是介绍了植物细胞工程在植物繁殖的新途径、作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产这三部分的应用。 学情分析 教学目标 1.概述植物组织培养和植物体细胞杂交技术的原理和过程。（科学思维） 2.举例说明植物细胞工程的应用有效提高了生产效率。（社会责任） 3.尝试进行植物组织培养。（生命观念、科学探究） 教学重难点 1.教学重点 (1)植物组织培养的原理和过程。 (2)植物体细胞杂交技术的原理。 (3)植物细胞工程应用的实例。 2.教学难点 植物组织培养的实验。 教学内容及流程 学习任务 教学过程 备注 新课导入 【教师讲述】植物细胞工程和动物细胞工程的发展重要历程。 ·细胞工程定义：是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学的原理和方法，通过细胞水平、细胞器水平或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。根据操作对象的不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域。 利用适当的语言设置情境，多媒体和模式图等吸引学生的注意力，激发学生探究的动力。用生动形象诙谐的语言，让学生带着好奇心进入课堂。 植物细胞工程的基本技术——植物组织培养 （一）植物组织培养 1、概念：是指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。 2、原理：植物细胞的全能性 细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能，即细胞具有全能性。但是，在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性，这是因为在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。 体现全能性的标志 细胞→ 完整个体或其他各种细胞 实例：胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株；受精卵发育成个体（动植物）；蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄蜂；用一片叶子、一片花瓣、一粒花粉繁殖出新的植株。 不体现全能性的实例：芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶。 3、流程图 相关概念 (1) 外植体：用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。 (2) 细胞分化：个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和功能上出现稳定性差异的过程。 (3) 脱分化：已经分化的细胞，经过诱导，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。 (4) 愈伤组织：排列疏松、无规则，高度液泡化、不定形的薄壁组织团块（见光后愈伤组织变为绿色）。 (5) 再分化：脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化出根或芽等器官的过程。 (6) 胚状体：离体培养条件下，没有经过受精过程，但是经过了胚胎发育过程所形成的胚状类似物，因而统称为体细胞胚或胚状体。 (7) 直接发生途径：外植体不经过愈伤组织阶段，直接分化出胚状体、丛芽或根。 4、案例：菊花的组织培养 （1）材料的选取 同一种植物材料，材料的年龄、保存时间的长短等也会影响实验结果。菊花的组织培养一般选择未开花植株茎上部新萌生的侧枝。 （2）常用的培养基及成分 常用的培养基是MS 培养基，主要成分包括： ①大量元素：N、P、S、K、Ca、Mg 等。 ②微量元素：B、Mn、Cl、Zn、Fe、Mo、I、Co 等。 ③有机物：甘氨酸、烟酸、肌醇、维生素、以及蔗糖（葡萄糖 / 蔗糖）等。 ④植物激素：生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素，二者的浓度、及用量的比例等都会影响实验结果。常用的生长素及类似物有 NAA (萘乙酸)、2，4-D 等 。常用的细胞分裂素有 6-BA（6 - 苄基腺嘌呤）、KT（激动素）和玉米素。 MS 培养基母液：为了避免每次配制培养基时都要称量几十种成分，可以将各种成分按比例配制成浓缩液，即培养基母液，使用时，根据浓缩比例计算用量，加水稀释。 相关思考与分析 思考 1、MS 培养基中为什么用蔗糖而不用葡萄糖？ 分析：蔗糖同样可以作为植物细胞的碳源和能源物质。配制相同质量分数的培养基，蔗糖形成的渗透压要明显低于（低于 / 高于）葡萄糖，若采用葡萄糖作为碳源，易使植物细胞脱水而生长不良。同时，植物细胞吸收蔗糖的速率要明显慢于（慢于 / 快于）吸收葡萄糖的速率，所以蔗糖形成的渗透压可较长时间地保持相对稳定。此外，微生物生长所需的最适合的碳源是葡萄糖，因此，采用蔗糖作为培养基的碳源，可在一定程度上减少微生物的污染。 思考 2、组培时，光照条件该如何控制？ 分析：形成愈伤组织以及愈伤组织的扩大培养需避光，诱导愈伤组织再分化出芽需照光。（光可以诱导叶绿素的合成，也能够作为信号调节植物的生命活动） 思考 3、胡萝卜组织培养时，若选取胡萝卜韧皮部细胞，能（能 / 不能）培养出完整植物体。与韧皮部细胞相比，选取胡萝卜形成层细胞进行组培更容易。（一般分化程度越低、分裂能力越强） 生长素用量 / 细胞分裂素用量的比值高——促进根分化，抑制芽形成 生长素用量 / 细胞分裂素用量的比值低——促进芽分化，抑制根形成 生长素用量 / 细胞分裂素用量的比值适中——促进愈伤组织的形成 （3）外界条件 如 pH、温度、光照等环境条件。 【实验探究】菊花组织培养的操作步骤 1. 用酒精擦拭双手和超净工作台台面。将流水充分冲洗后的外植体（幼嫩的茎段）用酒精消毒 30s，然后立即用无菌水清洗 2~3 次；再用次氯酸钠溶液处理 30 min 后，立即用无菌水清洗 2~3 次。 2. 将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中，用无菌滤纸吸去表面的水分。用解剖刀将外植体切成 0.5~1cm 长的小段。 3. 在酒精灯火焰旁，将外植体的 1/3~1/2 插入诱导愈伤组织的培养基中（注意形态学上下端，不能倒置）。用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记。 4. 将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于 18~22℃的培养箱中培养。在培养过程中，定期观察和记录愈伤组织的生长情况。 5. 培养 15~20d 后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上。长出芽后，再将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。 6. 移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日（炼苗）。用流水清洗掉根部的培养基后，将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土。每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。 实验注意事项： （1）无菌技术是组织培养成功的关键因素 ①由于植物组织培养所利用的植物材料体积小，抗性差，所以对培养条件要求高。MS 培养基同样适合于某些微生物生长，因此要进行严格的无菌操作。 ②无菌技术包括对培养基、器械和植物材料（外植体）的灭菌或消毒。对培养材料表面消毒时要考虑药剂的消毒效果和材料的耐受性。 ③培养基可能会出现细菌污染或真菌污染。妥善处理被污染的培养物，一旦发现培养材料污染，一定要先灭菌再打开清洗。（微生物繁殖速度快，微生物相对表面积小，物质交换速率快） （2）试管苗培养过程中应注意的问题 ①培养一株完整的试管苗，必须先进行生芽（生根 / 生芽）培养，然后进行生根（生根 / 生芽）培养，如果顺序颠倒，就不容易诱导生芽了。 ②试管苗一般在高湿、弱光、恒温下生长，移出瓶后一定要保温、保湿。 ③试管苗光合作用能力低，在移栽前应给予较强光照且进行闭瓶炼苗，以促进小苗向自养转化。 引出对全能性概念的全面理解，为下面探讨植物组织培养和植物体细胞杂交的学习提供理论基础。 植物体细胞杂交技术 【教师讲述】植物细胞融合 + 植物组织培养 = 植物体细胞杂交（原理：细胞膜具有一定的流动性、植物细胞的全能性） 关键操作要点： 去壁：使用纤维素酶和果胶酶分解植物细胞壁。 原生质体融合方法：PEG 融合法、电融合法、离心法、高钙 - 高 pH 融合法。 渗透压稳定：去除细胞壁的植物细胞需要保证渗透压稳定，可加入山梨醇和甘露醇，防止细胞吸水涨破或失水皱缩。 相关思考与分析 思考1、诱导融合之后为什么要对原生质体进行筛选？ 分析：融合体系中有多个原生质体 A 和多个原生质体 B，由于融合是随机的，所以除了会出现融合原生质体 AB，也会出现融合原生质体 AA和融合原生质体 BB；又由于融合的成功率不是百分之百，所以除了会出现融合细胞，也会有未融合细胞。因此诱导融合之后要对原生质体进行筛选。 选出 AB 型 (杂种) 细胞的方法： 方法 1：互补选择法 第一次培养在适合 A 不适合 B 的条件下，淘汰 B 和 BB 型的细胞；第二次培养在适合 B 不适合 A 的条件下，淘汰 A 和 AA 型的细胞，选出 AB 型细胞。 方法 2：融合前两个亲本有可分辨的明显标记 亲本 1：来自愈伤组织；亲本 2：来自叶肉细胞 (含叶绿体)，选择细胞壁薄且含有叶绿体的细胞。 方法 3：利用抗性互补 亲本 1：对放线菌素 D 有抗性，但在 MS 培养基不能超过 50 个世代；亲本 2：对放线菌素 D 敏感，但能在 MS 培养基生长。将杂种细胞培养在含有放线菌素 D 的 MS 培养基上即可。 思考2、科学家已经培育出 “番茄一马铃薯” 超级杂种植株，但并未出现地上长番茄、地下结马铃薯的性状，可能的原因是什么？ 提示：马铃薯基因组的表达产物可能影响了番茄基因组的表达，番茄基因组的表达产物也可能影响了马铃薯基因组的表达，导致融合植株细胞中的基因不能有序表达。（虽有 A、B 遗传物质，但随机表达，不一定把 A、B 两种植物的优良性状都表达出来） 思考3、据报道，某男子培育出一株奇怪的植株，实现了 “地上长番茄、地下结马铃薯”，你认为该男子可能是利用什么方法获得的该植株？ 分析：嫁接，以土豆植株为砧木，以番茄植株为接穗。 植物体细胞杂交意义：打破远缘亲本杂交不亲和的障碍，大大扩展杂交的亲本组合范围。 有序讲授植物体细胞杂交技术的流程、概念和应用，可以帮助学生形成对该技术的整体认识。提出的问题有利于学生把握技术的要点，提高学习的效率。 通过引导学生对“能否让番茄和马铃薯杂交，获得一种地上长番茄，地下结马铃薯的‘超级作物’呢”的问题的讨论，激发学生探究的本能，引出植物体细胞杂交技术，再通过有层次的问题的引导，帮助学生掌握植物体细胞杂交技术的过程、原理等知识。 植物细胞工程的应用 【教师讲述】一、植物繁殖的新途径 1、快速繁殖（原理：植物细胞的全能性） 快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，被人们形象地称为植物的快速繁殖技术，也叫作微型繁殖技术。它不仅可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖，还可以保持优良品种的遗传特性。 繁殖特点：无性繁殖，通过有丝分裂保持亲代优良的遗传特性。 思考：植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？ 分析：植物组织培养到愈伤组织阶段，细胞进行旺盛、快速的有丝分裂，从而获得大量的组织细胞。不断地对愈伤组织进行分割、移瓶、诱导再分化就可以形成大量的新植株。另外，植物组织培养在实验室进行，一般不受季节、气候等条件的限制。 应用：快速繁殖经济苗木、名贵花卉、珍稀濒危植物等自然繁殖速度缓慢，繁殖效率低下或优良性状不易保持的植物。 【拓展】人工种子：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。 结构：外部薄膜、藻朊酸钙胶体、保水剂、营养液、胚状体等。 优化：为了促进胚状体的生长发育，可向人工种皮中加入适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等，也可加入一些植物生长调节剂。 2、作物脱毒（原理：植物细胞的全能性） 马铃薯、草莓和香蕉等通常是用无性繁殖的方式进行繁殖的，它们感染的病毒很容易传给后代。病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低，品质变差。科学家发现植物顶端分生区附近（如茎尖、顶端幼嫩的茎段）的病毒极少，甚至无病毒。因此，切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。 特点：脱毒之后无病毒，但不一定抗病毒 效果：明显提高农作物产量和品质 3、作物新品种的培育（原理：染色体数目变异、植物细胞的全能性） ①单倍体育种 常规选育出一个可以稳定遗传的作物优良品种，一般要经过 5～6 年的连续筛选。而单倍体育种可以先通过花药（或花粉）培养获得单倍体植株，然后经过诱导染色体加倍，当年就能培育出遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株，这极大地缩短了育种的年限。此外，由于大多数单倍体植株的细胞中只含有一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易显现，因此它也是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。 流程：花药（花粉）→离体培养→单倍体植株→人工诱导染色体加倍→纯合二倍体植株→筛选→优良品种 优点：后代都是纯合子能稳定遗传；明显缩短育种年限，加速育种进程。 ②突变体的利用（原理：基因突变、染色体变异、植物细胞的全能性） 在植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。从产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。 流程： 二、细胞产物的工厂化生产 初生代谢物与次生代谢物 初生代谢物：有糖类、脂质、蛋白质和核酸等。初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，因此在整个生命过程中它一直进行着。 次生代谢物：植物代谢产生的一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物。是一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等），在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。次生代谢一般发生在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行。 植物细胞培养技术：由于植物细胞的次生代谢物含量很低，从植物组织提取会大量破坏植物资源，有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到，因此人们利用植物细胞培养来获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化生产。 定义：是指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。 优势：不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，对于社会、经济、环境保护具有重要意义。 流程： 实例 人参皂苷：通过植物细胞培养实现工厂化生产，大幅提高产量。 紫草宁：抗菌、消炎和抗肿瘤，首例药用植物细胞工程产品。 紫杉醇：用于乳腺癌、卵巢癌和肺癌的治疗（临床有效率 > 40%），因资源稀缺、含量低（干树皮中的 0.01%）、植物生长缓慢（小苗 50-70 年成树、剥皮即死）导致价格昂贵。 【比较分析】表格比较植物组织培养和植物细胞培养的区别 了解生产紫杉醇的历史，可以让学生感悟植物细胞工程在解决人类面临的健康、环境保护等问题方面发挥的重要作用。 让学生将所学知识应用于生产生活实践。 引导学生带着问题阅读教材，锻炼学生从繁多的文字中获取自己想要的信息的能力，培养学生的语言概括能力。通过回顾“单倍体育种”，拓展学生的视野，并加深对知识的理解。 小结与练习 【课堂小结】同板书 【课堂练习】处理教材中的思考讨论、练习与应用，处理双导学案和分层作业 引导学生关注知识内容的梳理，尝试构建概念图。 板书设计 2.1植物细胞工程 作业布置 【课后作业】1.完成分层训练课后素养评价、2.完成双导学案对应内容和下一节问题式预习部分 教学反思 整个课堂分四个问题来探讨。第一个问题通过复习必修1中有关全能性的知识，帮助学生更全面地理解全能性，第二个问题在学生理解了什么是全能性的基础上，通过阅读课本、观察视频等方式了解植物组织培养的原理、过程及其特点，第三个问题则通过阅读课本回答问题的方式，引导学生绘制植物体细胞杂交技术的流程图，在问题的引导下，帮助学生理解植物体细胞杂交技术的原理、过程及其特点，通过小组讨论、学生提出问题、解决问题，不仅将课堂知识进行总结回顾，更在讨论过程中学会获得知识的方法。最后通过学生完成植物组织培养的1~4步，并制订后期的观察记录计划、转接到再分化培养基以及移栽入土计划，培养学生的实验操作能力和实验设计能力。 在教学中突出“以学生活动为主”的特点，通过一系列问题，引导学生在阅读资料、课本等的基础上，培养学生的阅读能力、语言表达能力等，同时引导学生了解植物组织培养技术在植物繁殖的新途径、作物新品种的培育以及细胞产物的工厂化生产中的应用的原理、优点及成果。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $